摘 要：針對淬火油槽二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)缺少設計參數(shù)問題，對二氧化碳滅火系統(tǒng)局部應用噴頭設計參數(shù)進行試驗選取，試驗確定了架空型噴頭設計流量、保護面積與安裝高度等設計參數(shù)，建立了二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)試驗模型，通過采用油盤火災模擬淬火油槽火災。進行了冷噴試驗，并在此試驗基礎上進行滅火試驗驗證。采用試驗數(shù)據(jù)并結合相關標準要求，完成了淬火油槽二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)設計，并在汽車制造企業(yè)零部件自動淬火油槽得到實際應用。
淬火油槽作為金屬材料熱處理設備在工業(yè)生產(chǎn)中極為常見，按熱處理自動化程度分為手動淬火油槽和自動淬火油槽。二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)用于撲救淬火油槽火災是較理想的滅火保護措施。然而，供設計人員設計淬火油槽二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)的設計參數(shù)較少，設計人員無法有針對性地進行滅火系統(tǒng)設計，影響了二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)推廣應用。筆者以汽車制造企業(yè)生產(chǎn)汽車零部件的自動淬火油槽為例，研究探討二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)設計。
1噴頭設計及試驗
1.1 架空型噴頭設計
現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)的淬火油槽向小型化自動化方向發(fā)展，如汽車制造企業(yè)生產(chǎn)的汽車零部件采用的淬火油槽，其淬火油槽空間尺寸小，設計采用傳統(tǒng)的二氧化碳局部應用架空型噴頭，因其尺寸較大，安裝后影響淬火油槽正常生產(chǎn)，已經(jīng)不適于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，要求淬火油槽設計安裝的二氧化碳局部應用架空型噴頭在滿足滅火系統(tǒng)設計參數(shù)的條件下實現(xiàn)小型化，即依據(jù)淬火油槽實際工況條件，設計小型化的專用型噴頭。
淬火油槽著火部位是油槽內(nèi)淬火油表面，噴頭選用架空型噴頭。架空型噴頭由噴嘴芯和噴頭噴射罩組成，裝配時將噴嘴芯壓入噴頭噴射罩里面，架空型噴頭
將噴頭噴射孔口設計成徑向射流噴頭，經(jīng)噴射孔口噴出的二氧化碳滅火劑噴向噴頭噴射罩導流腔，產(chǎn)生旋流，沖擊后迅速霧化，霧化后的二氧化碳滅火劑經(jīng)噴頭噴射罩噴出，經(jīng)噴頭噴射罩導流后噴射出的滅火劑壓力降低，達到在臨界飛濺流量下大幅度縮短噴頭至油盤液面的距離，
1.2 噴頭設計流量、保護面積與安裝高度試驗
試驗在不同的安裝高度下進行，測定在臨界飛濺流量下的相應保護面積，取 90%臨界飛濺流量為對應保護面積的噴頭設計流量。試驗可采用圓形油盤或方形油盤，當采用圓形油盤時其保護面積為圓內(nèi)接正方形面積，油盤內(nèi)注水替代淬火油，液面到油盤緣口距離為 150 mm，架空型噴頭安裝在油盤上方，噴頭布置垂直于油盤內(nèi)液面，采用 1 只架空型局部應用噴頭進行試驗，架空型噴頭試驗布置圖如圖 2 所示。
為盡可能在一(圖)次(2)滅火劑噴放過程中(架空型噴頭試驗布置圖)測取更多的不同安裝高度下的試驗數(shù)據(jù)，將油盤懸吊在可以上下移動的吊機下方，通過吊具的上下移動來調整噴頭噴口至油盤液面的距離，達到在不同安裝高度下測得臨界飛濺流量及相應的正方形保護面積的目的。
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消防科學與技術2018年11月第37卷第11期
手動啟動二氧化碳滅火系統(tǒng)噴放二氧化碳滅火劑，觀察噴放情況，記錄相關數(shù)據(jù)，檢查液體向外飛濺情況及相應保護面積。調整不同安裝高度 H、試驗測得架空型噴頭設計流量 Qi、保護面積 A 與安裝高度 H 數(shù)據(jù)，并繪制成設計流量、保護面積與安裝高度曲線。采用不同規(guī)格代號噴頭重復上述試驗，測取多種規(guī)格代號噴頭的設計流量、保護面積與安裝高度曲線。
依據(jù)給出的淬火油槽設計計算條件，要求噴頭噴口距離淬火油液面實際安裝高度不宜大于 1 m，若采用 4 只噴頭、油槽寬 1.8 m，要求架空型噴頭保護面積不小于 0.81 m2。從多種規(guī)格代號噴頭的試驗曲線中經(jīng)分析比較，選取規(guī)格代號為 6.5#架空型噴頭。6.5#架空型噴頭設計流量、保護面積與安裝高度曲線，如圖 3 所示。從試驗曲線中可查出在不同安裝高度下噴頭設計流量及相應的保護面積。
2試驗模型建立及試驗
2.1 試驗管網(wǎng)布置
試驗油盤選用直徑為 1.67 m、面積為 2.19 m2 的油盤模擬淬火油槽進行冷噴試驗和滅火試驗。根據(jù)淬火油槽實際尺寸及生產(chǎn)工藝要求，確定噴頭安裝高度為 1 m（噴頭出口至油槽內(nèi)淬火油表面的距離）。由圖 3 曲線查出，安裝高度為 1 m 時設計流量為 20 kg/min，保護面積為 0.9 m2。設計試驗用的管網(wǎng)主管道與實際淬火油槽管網(wǎng)的主管道直徑長度相同，試驗管網(wǎng)末端設計 4 只噴頭規(guī)格代號為 6.5#的二氧化碳局部應用架空型噴頭，噴頭安裝于油盤正上方且均衡布置，在噴頭連接短管和集流管上各安裝 1 只壓力表，用于記錄噴頭入口壓力和集流管壓力，試驗管網(wǎng)布置圖如圖 4 所示。要求噴頭在此安裝高度的設計流量下油盤內(nèi)的淬火油不應向外飛濺，同時觀測在此安裝高度下相應的噴頭保護面積是否滿足要求。
2.2 二氧化碳設計用量
二氧化碳設計用量依據(jù) GB 50193《二氧化碳滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》規(guī)定，按式（1）計算。
M = N?Qi?t （1）式中：M 為二氧化碳設計用量，kg；N 為噴頭個數(shù)，設計采用 4 只 6.5#噴頭；Qi 為單個噴頭的設計流量，kg/min,從圖 3 曲線查得 Qi=20 kg/min；T 為噴射時間，取 0.5 min。經(jīng)計算，二氧化碳設計用量為 40 kg，儲存容器內(nèi)的二氧化碳剩余量為 2 kg，設計選用 1 瓶組 70 L 高壓二氧化碳儲瓶，充裝 42 kg 滅火劑。
2.3 冷噴試驗
油盤內(nèi)注水，液面至油盤緣口的距離不小于 150 mm。手動啟動 1 瓶二氧化碳滅火系統(tǒng)噴放二氧化碳滅火劑，觀察其噴放情況，并記錄相關數(shù)據(jù)，檢查液體向外飛濺情況。
試驗環(huán)境溫度 17 ℃，噴射時間為 30 s，系統(tǒng)噴射時間-壓力曲線，如圖 5 所示。觀察噴射過程，滅火劑噴射分布均勻。噴射結束，油盤內(nèi)水面有部分結冰現(xiàn)象，觀察油盤周邊，液體無向外飛濺跡象。
2.4 滅火試驗
油盤內(nèi)水墊層高度不小于 30 mm，燃料采用淬火油，淬火油高度為 50 mm，同時滿足液面至油盤緣口的距離不小于 150 mm。滅火試驗采用 1 瓶組 70 L 高壓二氧化碳儲瓶，充裝二氧化碳滅火劑 42 kg；備用 1 瓶組 70 L 高壓二氧化碳儲瓶，用于滅火不成功時使用，此外準備 2 具 5 kg 的手提式二氧化碳滅火器，用于滅火不成功或出現(xiàn)其他意外情況時使用。
采用汽油點燃油盤中淬火油，預燃 1 min 后啟動系統(tǒng)，手動啟動二氧化碳滅火系統(tǒng)噴放二氧化碳滅火劑，觀察噴放情況，記錄相關試驗數(shù)據(jù)。
試驗環(huán)境溫度 30.3 ℃，滅火時間 2 s，其余試驗數(shù)據(jù)與冷噴試驗數(shù)據(jù)相同。觀察噴射過程，發(fā)現(xiàn)滅火劑從噴頭噴出，強烈的火焰瞬間被壓制住，系統(tǒng)噴放滅火劑不到 2 s 明火消失，滅火成功。噴放結束后，觀察油盤周邊，液體無向外飛濺跡象，滅火試驗圓滿成功。
通過冷噴試驗及滅火試驗驗證說明，噴頭距保護對象液面垂直距離 1 m 時，選用保護面積為 0.9 m2、設計流量為 20 kg/min、噴頭規(guī)格代號為 6.5#的架空型噴頭應用于該油盤局部應用滅火系統(tǒng)設計合理，能瞬間壓制火災，滅火時間短，可應用于淬火油槽局部應用滅火系統(tǒng)設計。
3淬火油槽二氧化碳滅火系統(tǒng)局部應用設計
3.1 設計計算條件
1546 Fire Science and Technology，November 2018,Vol 37,No.11
?。?）某汽車制造企業(yè)零部件自動淬火油槽長 1.3 m、寬 1.8 m，油槽上端緣口距離頂板 1.5 m，淬火油液面距離油槽上端緣口 0.15 m，油槽上端緣口為敞口，無蓋封堵。
?。?）淬火油槽內(nèi)可燃物為淬火油，淬火油閃點 206 ℃，工件入池溫度 800 ℃。
（3）淬火油槽周邊環(huán)境溫度為 15～45 ℃。
3.2 淬火油槽二氧化碳滅火系統(tǒng)局部應用設計
?。?）管網(wǎng)布置。依據(jù)設計計算條件及試驗驗證的設計參數(shù)，系統(tǒng)管網(wǎng)末端設計 4 只噴頭規(guī)格代號為 6.5#的二氧化碳局部應用架空型噴頭，噴頭位于淬火油槽上端緣口上方，在淬火油槽箱體內(nèi)側安裝，噴頭傾斜朝向淬火油槽液面，其瞄準點為該噴頭保護面積的中心，噴頭噴口距離淬火油液面 1 m。從圖 3 曲線中查出，在此安裝高度下對應的單只噴頭保護面積為 0.9 m2、單只噴頭的設計流量為 20 kg/min，滿足噴頭完全覆蓋油槽液面且不會產(chǎn)生飛濺的要求。二氧化碳儲瓶安裝于柜體內(nèi)，管道采用均衡布置。
?。?）計算二氧化碳設計用量。設計噴頭 4 只，單個噴頭的設計流量 Qi 為 20 kg/min，設計噴射時間 t 取 0.5 min。經(jīng)計算二氧化碳設計用量為 40 kg，儲存容器內(nèi)的二氧化碳剩余量為 2 kg，淬火油槽二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)設計選用 1 瓶組 70 L 高壓二氧化碳儲瓶，儲瓶公稱工作壓力為 15 MPa，充裝 42 kg 二氧化碳滅火劑，充裝系數(shù)為 0.6 kg/L。
?。?）噴頭型號復核。依據(jù) GB 50193-93（2010 年版）《二氧化碳滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》進行管道壓力計算，得出噴頭入口壓力，依據(jù)單位等效孔口面積的噴射率及生產(chǎn)廠提供的噴頭流量系數(shù)計算噴頭等效孔口尺寸，確認噴頭規(guī)格代號。
4結 語
二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)針對局部應用保護對象的火災滅火性能極好，能瞬間壓制火災，滅火時間短，滅火劑價格低廉，可廣泛應用于淬火油槽、噴漆生產(chǎn)線、鋼板軋機生產(chǎn)線等局部應用滅火場所。目前，二氧化碳局部應用設計參數(shù)不完全，制約了設計人員的設計應用，其設計使用程度遠未達到理想的效果。筆者對實際工程中二氧化碳滅火系統(tǒng)局部應用設計參數(shù)進行試驗選取，建立了二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)試驗模型，進行了冷噴試驗和滅火試驗，給出了一組設計參數(shù)，結合相關標準要求，完成了淬火油槽二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)設計，并在汽車制造企業(yè)零部件自動淬火油槽二氧化碳局部應用滅火系統(tǒng)得到實際應用。
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